矢量网络分析仪基础知识和S参数的测量.doc

1、.矢量网络分析仪基础知识与S参数测量1 基本知识1.1 射频网络 这里所指的网络是指一个盒子,不管大小如何,中间装的什么,我们并不一定知道,它只要是对外接有一个同轴连接器,我们就称其为单端口网络,它上面若装有两个同轴连接器则称为两端口网络.注意：这儿的网络与计算机网络并不是一回事,计算机网络是比较复杂的多端口网络,这儿主要是指各种各样简单的射频器件射频网络,而不是互连成网的网络. 1单端口网络 习惯上又叫负载ZL.因为只有一个端口,总是接在最后又称终端负载.最常见的有负载、短路器等,复杂一点的有滑动负载、滑动短路器等. 单端口网络的电参数 通常用阻抗或导纳表示,在射频X畴用反射系数回损、驻波比

2、、S11更方便些.2两端口网络 最常见、最简单的两端口网络就是一根两端装有连接器的射频电缆. 匹配特性 两端口网络一端接精密负载标阻后,在另一端测得的反射系数,可用来表征匹配特性. 传输系数与插损 对于一个两端口网络除匹配特性反射系数外, 还有一个传输特性,即经过网络与不经过网络的电压之比叫作传输系数T.插损IL = 20LogTdB ,一般为负值,但有时也不记负号,即相移.两端口的四个散射参量测量 两端口网络的电参数,一般用上述的插损与回损已足够,但对考究的场合会用到散射参量.两端口网络的散射参量有4个,即S11、S21、S12、S22.这里仅简单的但不严格带上一笔. S11与网络输出端接上

3、匹配负载后的输入反射系数相当.注意：它是网络的失配,不是负载的失配.负载不好测出的,要经过修正才能得到S11 . S21与网络输出端匹配时的电压和输入端电压比值相当,对于无源网络即传输系数T或插损,对放大器即增益. 上述两项是最常用的. S12即网络输出端对输入端的影响,对不可逆器件常称隔离度. S22即由输出端向网络看的网络本身引入的反射系数.中高档矢网可以交替或同时显示经过全端口校正的四个参数,普与型矢网不具备这种能力,只有插头重新连接才能测得4个参数,而且没有作全端口校正.1.2 传输线传输射频信号的线缆泛称传输线.常用的有两种：双线与同轴线,频率更高则会用到微带线与波导,虽然结构不同,

4、用途各异,但其基本特性都可由传输线公式所表征. 特性阻抗Z0 它是一种由结构尺寸决定的电参数,对于同轴线：式中r为相对介电系数,D为同轴线外导体内径,d为内导体外径. 反射系数、返回损失、驻波比 这三个参数采用了不同术语来描述匹配特性,人们希望传输线上只有入射电压, 没有反射电压, 这时线上各处电压一样高,只是相位不同,而实际上反射总是存在的, 这就需要定义一个参数.式中ZL为负载阻抗, Z0为同轴线的特性阻抗.由于反射系数永远1, 而且在甚高频以上频段手边容易得到的校准装置为衰减器,所以有人用返回损失回损R.L.来描述反射系数的幅度特性,并且将负号扔掉.回损 R.L. = 20LogdB 1

5、.4 有反射时, 线上电压即有起伏, 驻波比S.W.R是使用开槽测量线最易得到的一个参数,比较直观. 当| 1时,= 1 + 2 1.6本仪器三种读数皆有, 可任意选用.阻抗圆图 如A,B两个规格的天线,若只在标网上选择,肯定选B而不要A,而在矢网上看,A比B有潜力得多,加个电容就比B好了.这种情况是大量存在的,在全波振子对测试中就是这种情况.因此,在调试中首先要将天线阻抗调集中在圆图上成团.举例来看,反射网与振子高度调节就有这种情况,折合振子单边加粗也有这种情况,然后再采取措施如并电容,串电感,调短路片位置,改平衡器内导体等使其匹配.而且经常不是使中频处于圆图中心,而是使整个频带处于中心某一

6、小圆内,即牺牲一下中频性能,来换取总带宽.阻抗圆图上适于作串联运算,若要作并联运算时,就要转成导纳；在圆图上这非常容易,某一点的反对称点即其导纳.请记住当时的状态,作阻抗运算时图上即阻抗,当要找某点的导纳值时,可由该点的矢徑转180即得；此时圆图所示值即全部成导纳.状态不能记错,否则出错.记住,只在一个圆图上转阻抗与导纳,千万不要再引入一个导纳圆图,那除了把你弄昏外,别无任何好处.另外还请记住一点,不管它是负载端还是源端,只要我们向里面看,它就是负载端.永远按离开负载方向为正转圆图,不要用源端作参考,否则又要把人弄昏.圆图作为输入阻抗特性的表征,用作简单的单节匹配计算是非常有用的,非常直观,把

7、复杂的运算用简单的形象表现出来,概念清楚.但对于多节级连的场合,还是编程由计算机优化来得方便.传输线的传输参数同上面两端口网络,不再重复.1.3 有关仪器的几个术语 网络分析仪能测单或两端口网络的各种参数的仪器, 称网络分析仪.只能测网络各种参数的幅值特性者称为标量网络分析仪,简称标网.既能测幅值又能测相位者称为矢量网络分析仪,简称矢网,矢网能用史密斯圆图显示测试数据.连接电缆一根两端装有连接器的射频电缆叫连接电缆也有称跳线的,反射特小的连接电缆称测试电缆.反射电桥为了测得反射系数,需要一种带有方向性或定向性并保持相位信息的器件,如定向耦合器或反射电桥,本仪器采用的是反射电桥,它的输出正比于反

8、射系数.其原理与惠司顿电桥完全相同,只不过结构尺寸改小适于高频连接,并且不再想法调平衡,而是直接取出误差电压而已.反射电桥一般只能测同轴线等单端馈线系统.差分电桥 能测双线馈线系统的反射电桥称差分电桥.谐杂波抑制能力 一般国产扫频源的谐杂波在20dB左右,甚至杂散波只有15dB,进口扫频源好的也就在30dB多一些,外差式接收机对谐杂波的抑制能力皆在40dB以上,不会出现什么问题.而对于宽带检波低放的扫频仪与标网,不外接滤波器对寄生谐杂波是没有抑制能力的,有时就会出现下面几种问题：滤波器带外抑制会被测小,天线驻波会被测大,窄带天线增益会测低.动态X围仪器设置到测插损,将一根好的短电缆的一头接到输

9、出口,另一头接到与屏幕显示相对应的输入口上,按执行键进行校直通后,拔掉电缆后仪器显示的数值即动态X围,应70dB.对插损的广义理解 隔离度不该通而通了的插损称隔离度或防卫度. 方向图天线对一固定信号在不同方向的插损称方向图.2 传输线的测量2.1 同轴线缆的测量一测电缆回损 1待测电缆末端接上阴负载或阳负载加双阴,测其入端回损,应满足规定要求.假如是全频段测试的话,那一般是低端约在3040分贝左右,随着频率增高到3GHz,一般只能在20dB左右.假如全频段能在30dB以上此电缆可作测试电缆,一般情况下尤其是3GHz附近是很难作到30dB的,能作到26dB就不错了. 2回损测试曲线呈现周期性起伏

10、,而平均值单调上升,起伏周期满足F=150/L,式中L为电缆的电长度米,F单位为MHz,则此电缆属常规正常现象,主要反射来自两端连接器处的反射；若低端就不好,甚至低频差高频好,或起伏数少,则电缆本身质量不好. 3回损测试曲线中某一频点回损明显低于左右频点呈一谐振峰状,此时出现了电缆谐振现象.只要不在使用频率内可以不去管它,这是电缆制造中周期性的偏差引起的周期性反射在某一频点下叠加的结果,我们只能先避开它.这种现象在1998年我们买的SYV-50-3电缆中多次碰到,回损只有1014dB,粗的电缆倒不常见此情况,用户只有自己保护自己,选择质量好的才买. 4在测回损中出现超差现象时,可按下面提到时域

11、故障定位检查加以确诊,以便采取相应措施.二测电缆插损也称测衰减1替代法在使用要求频段下,用插损档通过两个10dB衰减器用双阳校直通,校后用电缆代替双阳接入两衰减器之间即得插损曲线,此法为最常用的方法.2回损法测插损在仪器经过开短路校正后,接上待测电缆,测末端开路时的回损,回损除2即得插损,此法的优点在于不会出现插损为正的矛盾,特别适合于已架设好的长的粗馈管首尾相距较远的场合. 3非正常情况 检测电缆时最好用全频段测试,插损由小到大应是一单调平滑曲线,并且插损在标准规定以内,小有起伏也不要紧,那是反射叠加引起的.但若有某一频点附近显著高于左右频点插损增大呈一下陷曲线状,说明此电缆有问题.多数是连

12、接器外皮压接不良所造成,返工后重测.少数是电缆本身形成的,那么此电缆只能隔离待查,停止使用.连接器外皮显著接触不良,可用下面提到的电缆屏蔽性能检查方法加以确诊.三同时测插损与回损可按说明书4.7节进行双参量测量.双参量测量精度不如单参量高,若无必要,以采用单参量为宜.四同轴电缆电长度的测量 1引言在射频X围内,经常采用同轴电缆对各个功能块、器件或振子单元进行连接即馈电,除了要求插损小、匹配好之外,常常还对引入的相移提出要求.一般只要求相对相移,譬如同相天线阵或功率组合单位等.它们要求每根电缆一样长,而收发开关或阻抗变换场合则会提出长度为/4的要求,而U形环平衡器又会提出长度为/2的要求,这就出

13、现了如何测电缆电长度的问题.在不加支持片的同轴线段中,同轴线段的机械长度或几何长度与电长度是一致的,在有支持片或充填介质的情况下两者是不同的,机械长度与电长度之比为波速比也有称缩波系数,或缩短系数,一般在0.66到1之间,电长度显得长些,而实际机械长度显得短些.实际上要求的是电长度,矢网正好能测电长度. 2测反射相位定电缆电长度当电缆末端开路时,在其输入端测其反射的相位是容易的,由于反射很强测试精度也较高.当然末端短路也是可行的,但不如开路时修剪长度来得方便,因此常在末端开路的情况下进行测试. 、/4电缆的获得 仪器设定在要求的使用频率下点频工作,在测回损状态下校开路与短路. 接上待测电缆末端

14、开路,若电缆正好为/4时,相位读数应在1800附近. 若0.04,除了装配质量外,还有插头本身设计问题,一般市售连接器是不适于用到3GHz的.假如连接器是仔细设计,考虑了支持片的影响的,那么还有一个因素那就是电缆的特性阻抗可能不对,此时就应测测电缆特性阻抗. 2作法样本与扫频方案 对于已装好连接器的跳线,长度已定,只能由长度定扫频方案而对于电缆原材料,则可以按要求频率确定下料长度.此时待测电缆一头装连接器即可.样本长度与扫频方案是相互有关的,可以点频测也可以扫频测,取值要取相位靠近2700时的电抗值,此时电长度为/ 8、电抗值在j50附近,如4060之间,否则不易得到可信数据.测试频率宜低些,

15、以减少连接器,以与末端开短路的差异造成的误差.以SFF-50的电缆为例,取样本长500mm,其电长度即为700mm乘1.4波速比,扫频方案可选4656 MHz,F=2MHz即可.仪器在测回损状态下,电桥输入端与输出端各串一只10dB衰减器.校过开短路后,接上待测电缆.记下待测电缆在末端开路与短路时的输入电抗值不管电阻值,两者相乘后开方即得特性阻抗值.一般测试只选一点最靠近2700的点即50进行计算即可,要求高时,可在5010X围内选5点进行平均,这5点之间起伏不应大于0.5,否则电缆质量不好.电缆两端测出的特性阻抗有可能是不相同的,说明该电缆一头特性阻抗高,一头低.要求高时,应对样本进行掉头测

16、试,两端测出的特性阻抗不应相差0.5.注意: 1：虽然所有/ 8奇数倍的频点皆能进行测试,但只测了前面/ 8,后面/4与其倍数都是不参与的；它只提供了0点与点,这两点只与长度有关,而与Z0无关. 2：测75电缆时,请用75电桥,测试数据请乘1.5倍. 3：有人采用测数百米长电缆的输入阻抗来代替测Z0,这并非标准方法,实际上是对电缆提出了超标准的要求.除非电缆非常好,否则不易通过.七电缆屏蔽度检测 也称漏泄检测,也有称防卫度检测,作法同阵面幅相检测.采用全频段扫频方案,测插损,用一根好的短电缆校直通；在输出端接上待测电缆,其末端接上阴负载或双阴加阳负载；将一个拾取环见幅相检测,通过一段电缆接到输

17、入端,当环远离待测电缆时读数应70dB；将环靠在电缆上滑动,若读数仍在70dB以上则电缆性能优秀,若读数在60dB左右属良好,若读数在40-50dB就不太好,但勉强能用,若读数在20-30dB则肯定有了故障,一般出现在连接器处,必须重装,压紧后再测,连接器处不宜低于50dB；连接器接地不良时,其时域波形表现为拖尾巴波形,而不是一个单纯的脉冲波形；以上讲的是带插头的电缆常称跳线的检测方法,只是一种查毛病的方法,并不作为验收的依据.2.2 PNA用于测量75系统的补充说明 PNA本身是50系统测量仪器,在有75配套件的情况下,可在30-1000MHz频段内对75系统进行测量. 1测回损 主要是改用

18、75电桥,该电桥输入输出端口仍为50,故仍然可用原配电缆接上,而电桥测试端口为75,即能按原说明书所述方法对75系统的反射特性进行测试.测阻抗或相位或者所测驻波较大时,请用75短路器加校短路.对电桥定向性有怀疑时,可用75负载验证,也可采用校零措施.改用75电桥测试75系统时所有驻波、回损、相移值都是对的,但阻抗值请注意还要乘1.5才对.2测插损 在仪器输出输入端各接一根50电缆,在电缆另一端各接一只50K/75转换,并用75双阴将它们对接起来校直通,然后取出双阴串入待测件即可测出其插损与相移.示意图如下： 3测增益 接法与测插损相似,但应加30dB衰减器后校直通,衰减器可以是50的,也可以是

19、75的,各自串入其相应位置,其作法与原说明书相同.4时域故障定位 除改用75电桥外其他与说明书全同,校短路请注意要用细芯子的75短路器. 注意：由于75与50两者内导体差别较大,使用时应小心不要插错,粗的插入细的会损坏器件,细的插入粗的则接触不良甚至不通. 5. 75配套件清单2.3 多对双绞线电缆的测试在电脑网络连线中,用到了多对双绞线电缆,而且提出了技术要求,如何用常规单端一线一地制,如同轴线仪器进行测试呢？一技术要求: 有关单位对于5类线四对双绞线的技术要求见下表每对绕成双绞线的线又有多股与单股之分.相当线号为24AWG26AWG.注：在执行5类线标准验收时,有的用户要求按输入阻抗为10

20、015来验收,其理由为既然有特性阻抗为10015的要求,而现在线很长300m,因此只测其输入阻抗来代替前两项要求.对于理想的均匀线,这个要求还勉强说得过去,问题是线既不理想也不均匀,这个要求就超出了标准X围,否则就没有必要定第二栏的要求.对于100MHz,标准规定回损为16dB,假如按输入阻抗要求则为23dB,超过标准7dB；因此把特性阻抗验收标准改成按输入阻抗验收,是不符合标准的作法.另外有的仪器有|Z|坐标,这是一种电路参数而不是传输线参数,用|Z|10015来要求传输线的输入阻抗,是会闹笑话的.比如Zin=j100,是完全符合|Z|10015要求的,而对于传输线而言却是全反射,根本不能用

21、.二测试方法这儿只讨论用矢量网络分析仪来测试双绞线,不涉与市售电脑线专用测试设备. 1直接用单端仪器测试这是一种原则性的错误,因为平衡受到破坏,产生了共模电流,将导致衰减加大、窜扰严重.但有的地方仍然是这样作的,不妨试一试. 2采用PNA100差分套件. 3将单端仪器测试口通过复用开关扩为八个,采用混合模式散射参量进行计算与校准,这是ATN公司的方法.下面将只采用1、2两种方法进行测试,是用PNA3628进行的,其频率X围为：1KHz120MHz.测试样本是一段22.5米的商品电缆.三测试结果 1特性阻抗Z0测试虽然Z0一般不是频率的函数,但仍测了三个频点,测时线长最好用测试频率的/8,测其末

22、端开、短路时的输入电抗,相乘开方后即得.测试频率 MHz 1 10 62.5 单端电桥测 97114 103.6107.7 100106 差分电桥测 108113 103108 103108每个频率下有四个数据四对线,两法测试结果差别不大,看来都可以用.四PNA100差分套件1差分转换头2差分电桥它是一个由三个100无感电阻,与接在测试口上的待测电阻,组成的一个平衡电桥惠士顿电桥.由信号源来的单端信号,通过平衡器变成差分信号后,接到电桥的对角线两端.另一个对角线两端,再通过另一平衡器将误差信号变成单端信号后,送到仪器的接收输入端.即可直接得测得100双线系统的回损或驻波比,也可测试输入阻抗；但数值要乘2,因为仪器为50系统.五